劉巖松 張子健 宋曉晨 王童 滕飛

摘要：復(fù)合材料因具有減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、可降低油耗和提高飛行性能等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。飛機(jī)在生產(chǎn)和服役過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)缺陷和損傷，因此對(duì)復(fù)合材料修理的探究變得尤為重要。本文介紹了復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法、常見(jiàn)損傷缺陷及復(fù)合材料修理方法，分析了復(fù)合材料修理技術(shù)與理論的研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，展望了復(fù)合材料修理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;缺陷;損傷;修理技術(shù)

0引言

近年來(lái)，隨著民航領(lǐng)域的快速發(fā)展，各大航空公司機(jī)隊(duì)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，復(fù)合材料用量呈明顯遞增趨勢(shì)，其用量和比例已成為衡量飛機(jī)是否先進(jìn)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一^[1]。波音公司、空中客車公司生產(chǎn)的新型大型民用飛機(jī)的復(fù)合材料用量不斷增加，空客新一代超寬體客機(jī)A350XWB復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)總重的比例將達(dá)到52%，圖1給出了波音和空客部分機(jī)型的復(fù)合材料用量。

由于復(fù)合材料普遍存在層間性能弱、易受沖擊損傷等缺點(diǎn)，在服役期間易受到擠壓、超載、沖擊和環(huán)境等因素的影響造成損傷，從而影響復(fù)合材料的整體結(jié)構(gòu)性能。因此，復(fù)合材料發(fā)展和應(yīng)用對(duì)其缺陷損傷修理提出迫切要求。王長(zhǎng)越等^[2]闡述了因沖擊載荷造成損傷的復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的研究進(jìn)展，分別從沖擊損傷評(píng)估、無(wú)損檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)三方面介紹了國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，并展望了沖擊損傷下復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)的發(fā)展前景。徐緋等^[3]通過(guò)總結(jié)歸納前人在復(fù)合材料修理方面的理論知識(shí)，總結(jié)出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理問(wèn)題的現(xiàn)狀。

1復(fù)合材料常見(jiàn)缺陷及損傷修理容限

1.1常見(jiàn)典型損傷和缺陷

生產(chǎn)過(guò)程中工藝控制不當(dāng)、在服役過(guò)程中受到物體沖擊或受環(huán)境條件影響，這些因素都會(huì)造成復(fù)合材料的損傷或缺陷。表1給出了復(fù)合材料在制造和使用中的常見(jiàn)缺陷和損傷。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷修理流程圖如圖2所示。

1.2損傷容限與修理容限

修理容限指的是兩個(gè)定量的界限，在復(fù)合材料修理中即表述為出現(xiàn)缺陷或損傷后需不需修、能不能修。結(jié)構(gòu)的損傷容限是指損傷范圍從閾值到臨界值，以確定損傷結(jié)構(gòu)在規(guī)定的使用期間是否具有足夠的剩余強(qiáng)度。修理工藝水平和經(jīng)濟(jì)因素決定了修理容限。圖3給出了兩者之間的關(guān)系。

2無(wú)損檢測(cè)方法

在確定修復(fù)前，必須對(duì)損傷和缺陷進(jìn)行檢查和評(píng)估。對(duì)于表面損傷，如劃痕和擦傷，可以使用目視檢查來(lái)確定損傷的面積和程度。對(duì)于脫膠分層等內(nèi)部缺陷和損傷，目視檢查可以初步確定損傷部位和面積，然后通過(guò)無(wú)損檢測(cè)方法來(lái)準(zhǔn)確確定損傷區(qū)域。表2列出了不同檢驗(yàn)方法可檢的缺陷和損傷以及試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。不同的檢測(cè)方法適用于不同的缺陷和損傷檢查。

3復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方法

飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理方法有很多種，其分類的方法也有很多種。在實(shí)際的飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中，常用的修理方法主要有鋪層修理、注膠與填膠修理、膠接修理和機(jī)械修理四大類。

3.1鋪層修理

鋪層修理是指將損傷部位打磨切除后，采用濕鋪層或預(yù)浸料對(duì)其重新鋪層，經(jīng)過(guò)自然固化或者通過(guò)輔助加熱設(shè)施加熱到某一溫度實(shí)施固化的修理方法。鋪層修理是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修理中最具代表性的修理方法。在實(shí)際工作中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可修理?yè)p傷大多數(shù)需要采用鋪層修理法實(shí)施修理。

3.2注膠與填膠修理

注膠修理是指當(dāng)層合板結(jié)構(gòu)或夾芯結(jié)構(gòu)出現(xiàn)小面積的內(nèi)部分層或脫膠損傷時(shí)，將滲透性和流動(dòng)性好的低黏度樹(shù)脂注入到分層或脫粘區(qū)域并使之固化粘合的一種膠接修理方法。

填膠修理是將樹(shù)脂膠或其他填料填充或灌注到損傷區(qū)以恢復(fù)其結(jié)構(gòu)完整性的一種修理方法，通常在一些裝飾性結(jié)構(gòu)和受載較小的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)上使用。修復(fù)的主要形式有表面劃痕、凹坑、部分蜂窩芯損壞、孔位置錯(cuò)誤、孔尺寸過(guò)大。

3.3膠接連接修理

通過(guò)使用膠粘劑將被修補(bǔ)結(jié)構(gòu)與補(bǔ)片共同固化連接在一起的復(fù)合補(bǔ)片的修復(fù)方法稱為膠接修復(fù)，以確保損壞的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整，完成載荷轉(zhuǎn)移的修復(fù)。在實(shí)際工作中，膠接修補(bǔ)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修補(bǔ)使用最多的修補(bǔ)方法，根據(jù)補(bǔ)片膠接方式不同，又可分為貼補(bǔ)法和挖補(bǔ)法兩種，如圖4所示。

1）貼補(bǔ)法

貼補(bǔ)法是指在去除損傷結(jié)構(gòu)后，在缺陷部位表面附著固定補(bǔ)片，以恢復(fù)結(jié)構(gòu)完整性、使用性能及承載力學(xué)性能的一種膠接修補(bǔ)手段。根據(jù)補(bǔ)片粘貼位置，貼補(bǔ)法可以分為單面貼補(bǔ)和雙面貼補(bǔ)。由于其對(duì)操作設(shè)備要求不高，具有操作簡(jiǎn)單、周期短等優(yōu)點(diǎn)，該方法多用于外場(chǎng)臨時(shí)性修理，但由圖4可知貼補(bǔ)法不能應(yīng)用于對(duì)氣動(dòng)外形要求較高的部位的修理。

相超、周麗等^[4]基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)和粘聚區(qū)模型建立了修補(bǔ)復(fù)合材料層合板的漸進(jìn)損傷分析模型，計(jì)算了貼補(bǔ)修復(fù)后拉伸載荷下的極限強(qiáng)度，研究了補(bǔ)片復(fù)合材料的損傷演化過(guò)程，并討論了補(bǔ)片參數(shù)對(duì)修補(bǔ)后拉伸性能的影響，得出不同破壞模式下補(bǔ)片參數(shù)的改變對(duì)其力學(xué)性能的影響。當(dāng)主要破壞模式是補(bǔ)片破壞時(shí)，補(bǔ)片的直徑對(duì)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度影響不大;當(dāng)破壞模式是膠層破壞時(shí)，補(bǔ)片直徑的增大可顯著提高修補(bǔ)的極限強(qiáng)度。分析原因?yàn)楫?dāng)補(bǔ)片直徑較小時(shí)，膠層剝離應(yīng)力較大，此時(shí)膠層容易首先失效;補(bǔ)片直徑逐漸增大，膠層剝離應(yīng)力隨之降低，不易失效，故修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度隨著補(bǔ)片直徑的增大而明顯提高，如圖5所示。

2）挖補(bǔ)法

挖補(bǔ)法是先將損傷和缺陷部位去除，再在損傷部位填以新材料的一種膠接方法。根據(jù)去除損傷時(shí)打磨手段不同又可分為斜接法和階梯法。相較于貼補(bǔ)法，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)挖補(bǔ)修理后，膠接面的膠層剪切應(yīng)力較為均勻，且能保持較好的氣動(dòng)外形。因此，挖補(bǔ)法多用于曲率較大、對(duì)承載及氣動(dòng)外形要求較高的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。不過(guò)，由于挖補(bǔ)所需周期較長(zhǎng)，操作流程較復(fù)雜，對(duì)工作人員水準(zhǔn)和穩(wěn)定性要求較高，因此挖補(bǔ)法一般為場(chǎng)內(nèi)修理，是一種適用于損傷面積大、受損嚴(yán)重的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的永久修理方法。

汪源龍、程小全等^[5]采用了三維損傷累積模型與試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究了修理后的復(fù)合材料層合板的拉伸性能，探討了挖補(bǔ)角對(duì)修復(fù)后層合板力學(xué)性能的影響，得出挖補(bǔ)修理中膠層失效載荷隨挖補(bǔ)角的增大而減小。同時(shí)分析了層合板挖補(bǔ)修復(fù)后受拉伸性能的影響、膠層失效后傳力路徑的變化，得到在膠層完全破壞后損傷會(huì)沿母版最窄處向兩側(cè)自由邊迅速擴(kuò)展。紀(jì)朝輝、劉闊等^[6]研究了當(dāng)挖補(bǔ)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)不同時(shí)斜接法對(duì)挖補(bǔ)修理后力學(xué)性能變化的影響，分別對(duì)斜坡比為1：10、1：20、1：30和1：40的層合板進(jìn)行拉伸破壞試驗(yàn)，得出當(dāng)斜坡比為1：30時(shí)采用斜接法修補(bǔ)抗拉強(qiáng)度最好，同時(shí)總結(jié)了斜接法修補(bǔ)后的斷裂位置特征，得出斷裂類型主要有脫膠斷裂和補(bǔ)片斷裂兩種。

3.4機(jī)械連接修理

機(jī)械連接修理通常是指用螺接或鉚接的方式進(jìn)行修理，如圖6所示，即在損傷部位的外部用螺栓或鉚釘固定補(bǔ)片，使損傷結(jié)構(gòu)遭到破壞的載荷傳遞路線得以重新恢復(fù)的一種修理方法，其優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單、施工迅速、對(duì)表面處理要求不高。但由于機(jī)械連接修理需要在原損傷區(qū)域周圍打孔，易造成新的應(yīng)力集中，可能影響整體結(jié)構(gòu)壽命并改變?cè)械臍鈩?dòng)外形。

4國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)合材料不僅在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在船舶、化工、交通運(yùn)輸、建筑、化工等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也愈見(jiàn)拓展，國(guó)內(nèi)外對(duì)于復(fù)合材料的研究日益增多。

4.1復(fù)合材料膠接修理研究現(xiàn)狀

A.A.Baker博士^[7]討論了復(fù)合材料粘接修復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，首次提出了一種用復(fù)合材料補(bǔ)片修補(bǔ)受損飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的方案，即將貼片連接到受損區(qū)域，改善損傷的應(yīng)力分布，減少損傷和裂紋的擴(kuò)展速率，以增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剩余壽命。J.J.Schubbe^[8]研究了復(fù)合材料單面修補(bǔ)中補(bǔ)片尺寸對(duì)其結(jié)構(gòu)疲勞的影響，指出補(bǔ)片長(zhǎng)度的增加可以減少補(bǔ)膠脫膠的可能性，延長(zhǎng)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，但同時(shí)也會(huì)增加結(jié)構(gòu)的整體重量，導(dǎo)致粘膠層過(guò)早脫膠。Chung和yang^[9]通過(guò)三維有限元建模以及試驗(yàn)探討了復(fù)合材料補(bǔ)片單面膠接修理裂紋的擴(kuò)展，指出在貼片邊緣處應(yīng)力強(qiáng)度因子迅速減小，當(dāng)裂紋擴(kuò)展速度接近貼片長(zhǎng)度時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率將在短時(shí)間內(nèi)減小，但隨著補(bǔ)片長(zhǎng)度的增加，由于補(bǔ)片脫粘及試件其余部分承載能力的減弱，這種情況不會(huì)再發(fā)生;此外，當(dāng)補(bǔ)片長(zhǎng)度為裂紋長(zhǎng)度1.5倍時(shí)，壽命延長(zhǎng)最為顯著。鄧志康等^[10]通過(guò)改進(jìn)Zinoview剛度退化模型，結(jié)合Shkrieh改進(jìn)的三維Hashin準(zhǔn)則，利用ANSYS有限元軟件選用INTER205單元對(duì)膠層進(jìn)行模擬，建立了含孔復(fù)合材料層合板雙面貼補(bǔ)漸進(jìn)損傷失效模型，指出增大補(bǔ)片尺寸可以明顯提高結(jié)構(gòu)修補(bǔ)強(qiáng)度，這與文獻(xiàn)[8]中J.J.Schubbe所得結(jié)論基本一致，同時(shí)還指出當(dāng)補(bǔ)片修補(bǔ)厚度為母板1/2時(shí)，承載拉應(yīng)力最強(qiáng)。

4.2復(fù)合材料機(jī)械連接修理研究現(xiàn)狀

聶恒昌^[11]等通過(guò)機(jī)械連接修理的方法修復(fù)了含圓孔損傷的復(fù)合材料層合板，并通過(guò)軸向拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證其修理可行性，得到通過(guò)機(jī)械連接修補(bǔ)方法強(qiáng)度恢復(fù)率約可達(dá)到55%～60%的結(jié)論。樊建平^[12]等借助ANSYS有限元軟件中的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL模塊研究了層合板機(jī)械連接處的破壞過(guò)程并模擬過(guò)程。P.J.Gray^[13]研究了偏心載荷對(duì)單搭接和雙搭接接觸行為的影響，并研究了金屬結(jié)構(gòu)的變形對(duì)螺釘載荷分配的影響。

5存在問(wèn)題

近年來(lái)，對(duì)復(fù)合材料修理技術(shù)的研究逐漸增多，在理論研究和實(shí)際工作中均取得了很大進(jìn)展。但由于我國(guó)復(fù)合材料修理發(fā)展晚于國(guó)外，在某些技術(shù)突破及修理關(guān)鍵技術(shù)方面仍然存在一些問(wèn)題，對(duì)國(guó)外修理技術(shù)仍然存在依賴性。同時(shí)，復(fù)合材料高尖端修理技術(shù)使用的航材均依靠進(jìn)口，國(guó)內(nèi)的復(fù)合材料制造產(chǎn)業(yè)也與國(guó)外有一定差距。綜合來(lái)看，主要存在以下幾方面問(wèn)題：

1）由于復(fù)合材料受力各向異性，修補(bǔ)質(zhì)量受多方面因素影響，一些關(guān)鍵技術(shù)依賴工作經(jīng)驗(yàn)。

2）在外場(chǎng)工作時(shí)，環(huán)境因素對(duì)修補(bǔ)結(jié)果有很大影響，難以保證力學(xué)性能，需要工作人員認(rèn)真對(duì)待。

3）現(xiàn)有研究成果仍然難以滿足實(shí)際工程需求，理論研究與實(shí)際工程存在一定區(qū)別，應(yīng)在理論研究的基礎(chǔ)上更注重解決實(shí)際工程問(wèn)題。

6總結(jié)與展望

隨著高性能復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，復(fù)合材料修理技術(shù)日趨成熟，在復(fù)合材料理論方面研究成果也更加豐富。在當(dāng)前航空航天領(lǐng)域發(fā)展迅猛趨勢(shì)下，我國(guó)未來(lái)幾年在復(fù)合材料修理技術(shù)領(lǐng)域有望取得更大的突破。在完善與充分利用現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)不斷汲取新技術(shù)，向高質(zhì)量、低成本、一體化方向發(fā)展;應(yīng)加快健全國(guó)內(nèi)復(fù)合材料修理規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，盡快實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料數(shù)字化修理、修理工具及原材料國(guó)產(chǎn)化，將理論研究與實(shí)際工程相結(jié)合，成熟健全的修理技術(shù)是復(fù)合材料應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的有力保障;開(kāi)展復(fù)合材料修理標(biāo)準(zhǔn)化科學(xué)框架研究，大幅度提高修理效率，促進(jìn)航空領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

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